具有一阶纯滞后环节设计

目录

第一部分设计任务及方案

1、设计题目及要求

2、设计方案分析论证

第二部分方案各模块分析

1、被控对象分析

2、测量元件热电阻及前置放大电路

3、A/D转换器

4、控制器（单片机）

5、光隔驱动器

第三部分数字控制器D(Z)的设计

1、数字控制器D(Z)

2、程序流程图设计

第四部分可靠性和抗干扰性的分析

第五部分心得体会

一、 设计任务及方案

1.1 设计题目及要求

1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=

+)温度控制系

统和给定的系统性能指标(工程要求相角裕度为30～60，幅值裕度>6dB);要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃；

2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图；

3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图；

4、用MA TLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证； 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1),考虑θ=0或T/2两种情况。C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912。

5、进行可靠性和抗干扰性的分析。

1.2 设计方案分析论证

从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。

图1 方案总体框图

二、方案各模块分析

2.1 被控对象分析

大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=

+)

对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况

C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912

现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;

K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)

>> K =117.6650 T =0.0510

θ=0或0.0255

所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1

051.07

.117+s

2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路

2.2.1 测量元件选型

测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。作为测温敏感元件的电阻材料，要求电阻与温度呈一定的函数关系，温度系数大，电阻率大，热容量小。在整个测温范围内应具有稳定的化学物理性质，而且电阻与温度之间关系复现性要好。常有的热电阻材料有铂、铜、镍。成型仪表是铠装热电阻。铠装热电阻是将温度检测原件、绝缘材料、导线三者封焊在一根金属管内，因此它的外径可以做得较小，具有良好的机械性能，不怕振动。同时具有响应时间快、时间常数小的优点。铠装热电阻除感温元件外其他部分都可制缆状结构，可任意弯曲，适应各种复杂结构场合中的温度测量。热电阻在化工生产中应有最广泛。它的优点：测量精度高；再现性好，又保持多年稳定性、精确度；响应时间快；与热电偶相比不需要冷端补偿。缺点是：价格比热电偶贵；需外接电源；热惯性大；避免使用在有机械振动的场合。

热电阻具体选型本系统选择了PT100，温度传感器PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200℃ 至 650℃ 的范围。本系统要求测量的范围是-50℃～200℃，所以足够满足测量要求。

PT100参数介绍： Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下： 1) 测量范围：-200℃～+850℃； 2) 允许偏差值△℃：A 级±（0.15＋0.002│t│）， B 级±（0.30＋0.005│t│）； 3) 最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm ； 4) 允通电流 ≤ 5mA 。

另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂热电阻的线性较好，在0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

2.2.2 测量电路及前置放大电路

由于PT100温度传感器输出是mV级别，所以需要经前置放大电路后输入A/D转换器。

图2 传感器电路

R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图2所示，前一级约为10 倍，后一级约为3 倍。温度在0~100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av 对应升高。

注意：虽然电桥部分已经经过TL431 稳压，但是整个模块的电压VCC 一定要稳定，否则随着VCC 的波动，运放LM358 的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致A/D 转换的结果波动，测量结果上下跳变。

2.3 A/D转换器

系统要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃。所以选取250/2048=0.122℃，A/D转换器12位才能满足设计要求。

现选取12位A/D转换器AD574，主要性能如下：

1）分辨率：12 位

2）非线性误差：小于±1/2LBS 或±1LBS

3）转换速率：25us

4）模拟电压输入范围：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 两档四种

5）电源电压：±15V 和5V

6）数据输出格式：12 位/8 位

7）芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式